JP2007111830A - 工作機械等の駆動用ステージ部材 - Google Patents

Abstract

【課題】軽量で高い比強度と減衰能を有し、更に耐食性と耐磨耗性を有する駆動用ステージ部材を提供すること。
【解決手段】純マグネシウムまたはマグネシウムを主成分とする合金と異種金属が接合したクラッド材からなることを特徴とする駆動用ステージ部材。
【選択図】なし

Description

本発明は、工作機械や半導体、液晶製造装置等に用いられる駆動用のステージ部材に関する。特に高速駆動、高精度な位置制御が要求される設備に関する。

近年、マシニングセンター、超精密研削盤等の工作機械や半導体製造装置等のステージは、高速での駆動と高精度な位置制御の要求が高まっている。そのためまず駆動方式が見直され、従来のボールネジ駆動からリニアモーター駆動が採用されるようになり、ステージの高速駆動、高精度化が急速に進んだ。更に、液晶製造装置等は、生産性の向上、低価格化のためステージの大型化が要求されているためステージの軽量化も望まれている。

一方、マグネシウムはその特性により、近年注目を集めている材料であり、ノートパソコンやデジタルカメラ、携帯電話等の携帯用電子機器類やステアリングホイール、シリンダヘッドカバー等自動車部品にも採用される等、更なる用途の拡大が期待されている。しかしながら、マグネシウムは耐食性が悪く、中性〜酸性の腐食環境化では使用できず、また耐磨耗性が小さい、異種金属との結合が困難という性質をもつため、その用途拡大が阻害されてきた。

特許文献１は、高速駆動を要求される可動ステージのステージ部材について記載されている。セラミックス粉末またはセラミックス繊維を強化材とし、アルミニウムまたはアルミニウム合金をマトリックスとする金属−セラミックス複合材料とすることで、軽量で剛性が高く、制振性が良好なステージ部材が得られ、高速で正確に、しかも精度よく駆動できる可動ステージを提供するものである。本発明とは、ステージ部材の軽量化により性能向上をはかっている点では同じであるが、材質がセラミックスである点で異なっている。

特許文献２は、高加速度駆動が要請される形彫放電加工機の加工ヘッドクイル装置に関して記載されている。クイルを、マグネシウムを主成分として構成された軽量合金のものとすることで、高加速度で加速されて高速で移動できるとともに、高速応答性で高い制御性を有することとなり、加工性能を一段と向上させるという効果を提供するものである。しかしマグネシウムをクラッド化することに関しては何ら記載がない。

特許文献３は、ベース１１０上にＸリニアモータ１０７Ｘが搭載され、その上にＹリニアモーター１０７Ｙが搭載された、所謂「ＸＹ十字組駆動型のリニアモーター駆動ステージ１００」（図７参照）が開示されている。このステージのベース１１０はアルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、プラスチック樹脂、あるいは鉄製等である。ベース材料にマグネシウム合金が記載されているが、クラッド化することに関しては何ら記載がない
特許文献４は、マグネシウムまたはその合金とアルミニウムまたはその合金からなるクラッド材が開示されているが、駆動用ステージ部材に用いることに関しては何ら記載が無く、示唆もされていない。
特開２００２−１６７２９１号公報 特開２００２−１９２４２６号公報 特開２００２−３００７６６号公報 特開平６−３２８６１７号公報

本発明は、軽量で高い比強度と減衰能を有し、更に耐食性と耐磨耗性を有する駆動用ステージ部材を提供することを目的とする。

本発明者等は、前記課題を解決するため鋭意検討を行った結果、実用金属で最も軽量で高い比強度と減衰能を有するマグネシウムを用いることで、高速駆動と高精度な位置制御を有する駆動用ステージ部材が実現し、更に異種金属とクラッド化することでマグネシウムの欠点である耐食性、耐磨耗性を改善できることを見出し、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は次に記載する通りの構成を有する。
［１］ 純マグネシウムまたはマグネシウムを主成分とする合金と異種金属が接合したクラッド材からなることを特徴とする駆動用ステージ部材。
［２］ 前記異種金属が２層以上であることを特徴とする［１］記載の駆動用ステージ部材
［３］ 前記異種金属の外側の層がステンレスであることを特徴とする［１］及び［２］記載の駆動用ステージ部材
［４］ 純マグネシウムまたはマグネシウムを主成分とする合金と異種金属の接合方法が爆発圧着法であることを特徴とする［１］〜［３］記載の駆動用ステージ部材。
［５］ 設備との取り付けが、前記異種金属層を介して行われていることを特徴とする［１］から［４］記載の駆動用ステージ部材。

本発明の駆動用ステージ部材は、高速移動と高精度な位置制御が可能で更に耐食性、耐磨耗性に優れ、設備との結合が容易であるという効果を有する。

本発明について、以下具体的に説明する。

本発明において異種金属とは、マグネシウム合金よりも耐食性、または耐磨耗性に優れる金属であり、例えば、チタンまたはその合金、ステンレス、炭素鋼、銅またはその合金、ニッケルまたはその合金、ジルコニウムまたはその合金、Ｔａ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｗ等から選択される。マグネシウムと異種金属を接合する手段は特に限定するものではないが、圧延圧接法、拡散接合、爆発圧着等の冶金的接合、またはロウ付けが可能である。

特に爆発圧着の場合、マグネシウムと異種金属の接合界面は、接合面積の増加と加工硬化による接合強度向上のため凹凸を形成していることが好ましい。具体的には、クラッド材の一部を切り出し接合界面と垂直な面を鏡面研磨して観察したときに、接合界面の凹凸の上部から下部の距離が０．０１ｍｍから２ｍｍであることが好ましく、更には０．０５から０．４ｍｍであるとより好ましい。
異種金属はその目的と使用環境により、マグネシウム合金の片面、または両面に接合される。接合界面が晒されている端面は、電解腐食等を防止するため腐食環境と遮断することが好ましい。例えば、マグネシウム合金の両面に異種金属を接合したクラッドの端面に、前記異種金属と同材質のカバープレートを外面に晒されたマグネシウム合金を覆うようにして配置し、前記異種金属の端部と全線に渡り溶接することで完全にマグネシウム合金と腐食環境を遮断できる。または樹脂等によりコーティングする方法も有効である。

異種金属は直接接合が困難な組合せの場合や、ステージに要求される性能によっては中間層を用いて２層以上形成されることもある。中間層には前記の異種金属に加えて、アルミニウムまたはその合金、マグネシウムまたはその合金を用いることも出来る。

駆動用ステージ部材を設備に取り付ける方法は、溶接、ネジ止め等が考えられるが、いずれの方法でも、異種金属層を介して取り付けることが好ましい。溶接で取り付ける場合は、設備と溶接可能な異種金属をマグネシウムに接合したステージ部材を用いることが出来る。ネジ止めで取り付ける場合も、大きな荷重のかかるネジ穴の端部をマグネシウムに接合した異種金属部で形成することが出来る。なお、ネジ穴がマグネシウムまで及ぶ場合には、ネジとマグネシウムとの電解腐食を避けるために、ネジ端部に溶接、コーティング等を行い腐食環境と遮断することが好ましい。

本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明は以下の実施例に示されたものに限定されるものではない。
［実施例１］
マシニングセンター用のステージ部材として、板厚１５ｍｍのマグネシウム合金の両面に、板厚０．５ｍｍのＪＩＳ Ｇ ４３０５ ＳＵＳ３０４Ｌを爆発圧着法により接合させた後、外周５０ｍｍを切断除去して５００×５００ｍｍの３層クラッド板を製作した。切断端面は、４面とも板厚０．５ｍｍのＳＵＳ３０４Ｌを前記三層クラッドの両面のＳＵＳ３０４Ｌと全線にわたり溶接して取り付け、外部と遮断した。切断除去した端部よりＪＩＳ Ｇ ０６０１のせん断試験片を作製し、試験を行った結果、破断はマグネシウム合金部で生じ、接合は健全に行われていることを確認した。マシニングセンター本体へは、ネジにより取り付け、ネジとクラッド材表面は溶接し、切削液の浸入を防止した。組立て終了後、ステージを高速で移動させたが、極めて良好な位置精度を有していた。また、耐食性、耐磨耗性も良好で、ステージ部材として優れた性能を持つことが確認された。
［実施例２］
半導体製造装置用のステージ部材として、板厚３０ｍｍのマグネシウム合金の片面に、板厚２ｍｍのＪＩＳ Ｈ ４０００ Ａ１１００Ｐ−Ｏを介して板厚３ｍｍのＪＩＳ Ｈ ４６００ ＴＰ２７０を、もう一方には板厚０．５ｍｍのＳＵＳ３０４Ｌをそれぞれ爆発圧着により接合した。外周は実施例１と同様に切断除去し、切断端面は軟質ゴムを塗布しコーティングを行った。せん断試験での破断は全て素材破断であり十分な接合強度を有していた。装置本体へは、ステージ部のＳＵＳ３０４Ｌ部と溶接により取り付けた。取り付け後、各種試験をおこなったが、いずれもステージ部材として優れた性能を有していることが確認された。

Claims (5)

1. 純マグネシウムまたはマグネシウムを主成分とする合金と異種金属が接合したクラッド材からなることを特徴とする駆動用ステージ部材。
2. 前記異種金属が２層以上であることを特徴とする請求項１記載の駆動用ステージ部材。
3. 前記異種金属の外側の層がステンレスであることを特徴とする請求項１及び２記載の駆動用ステージ部材。
4. 純マグネシウムまたはマグネシウムを主成分とする合金と異種金属の接合方法が爆発圧着法であることを特徴とする請求項１〜３記載の駆動用ステージ部材。
5. 設備との取り付けが、前記異種金属層を介して行われていることを特徴とする請求項１〜４記載の駆動用ステージ部材。